中国古代物理学萌芽时期 耀华实验班物理老师.docx

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中国古代物理学萌芽时期耀华实验班物理老师

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中国古代物理学萌芽时期（耀华实验班物理老师刘刚课手稿）

2011年06月27日

　　中国古代的物理学萌芽

　　1.力学方面

　　我国古代力学知识源远流长，积累丰富。

　　早在2000多年以前的战国时期，在“墨经”中，记述了墨子（公元前478－前392）等哲学家对力学方面的一些精辟见解，如“力，刑之所以奋也。

”，表达了力是使人和物的“奋”即由静到动的根本原因。

　　还对杠杆进行了研究，指出:

“相衡，则本短标长。

”说明了在称量重物时，要想与砝码平衡，就要调整重臂“本”和力臂“标”，这一记录比阿基米德早二百多年。

　　我国科学家的朴素的宇宙观，例东汉的张衡强调:

“宇之表无极，宙之端无穷”。

　　明“武备志”记载:

“水战，可离水三。

四尺燃火，即飞出水面二。

三里去远，如火龙出于江面，筒药将完，腹内火箭飞出，人船俱焚。

”发展了二级火箭装置。

　　2.电磁学方面

　　在静电学方面，在西汉末年，（公元前20年）就有记载，在磁学方面更有骄人记录:

　　1）传:

4000年前，黄帝与蚩尤打仗，但蚩尤作雾，黄帝则使用指南车来辨别方向，使蚩尤大败。

　　2）郦道元在“水经注”中，写到秦始皇为了防避刺客，用磁石建造阿房宫的北阙门，若刺客身怀刀刃将被磁门吸住。

　　3）指南针比法人古约特早几百年。

　　3.天文学

　　比较突出的是张衡（公元78年－139年），生于河南南阳石桥镇，公元111年担任了东汉主持天象观测、编订历法的太史令，发明了浑天仪、候风地动仪。

国际天文学组织用他的名字命名了一颗小行星和月球上的一座环行山。

　　元朝的郭守敬等也取得了很大成绩。

　　4.π的计算

　　“π”是物理、数学中经常遇到的一个常数，测算它的精确值对科学的发展很重要。

　　先秦取圆周率为“周三径一”魏晋时期的刘徽应用极限思想，采用割圆法，算出了当时世界上π=3.1416的数字。

　　＊割圆法：

　　刘徽指出：

圆内接正多边形的边长“割之又割，以至于不可割，”则其面积“将与圆周合体，而无所缺矣。

”据说他将正多边形割至了3072条边。

　　南北朝的祖冲之（429－500年）是世界上第一个把π的值推算到3.1415926～3.1415927的人。

　　祖冲之利用方法:

方和圆的相互转化。

据说祖冲之做了更细致的工作，在圆内接12288，……个边的多边形，具体的研究方法写入“缀术”，但这本书在宋朝失传了。

　　国际上已把月球背面的一个山谷命名为“祖冲之”。

　　5.声学

　　1979年出土了战国时期制造的曾侯已编钟，说明了古代祖先对音节音律方面的极高造诣，北京天坛的回音壁等，巧妙地应用了声学原理，至今仍令人为之瞩目。

　　6.小结

　　中国是世界上科学发展最早的国家，这是我们民族的骄傲。

　　二、古希腊时期的物理进展

　　古希腊时期（公元前5世纪-公元30年）

　　在希腊哲学的多种多样的形式中，差不多可以找到以后各种世界观的胚胎、胚芽。

——恩格斯

　　泰勒斯（公元前7世纪）的天文观、德漠克利特的原子说都发展成古代科学的瑰宝。

古希腊与中国成为东西方两个交相辉映的中心。

　　1.埃拉多塞（公元前275-公元前195）用三尺长的竹竿测地球周长。

　　埃及的尼罗河旁有两个城市赛恩和亚历山大，由于已修路，联系比较便利。

在塞恩有一口很深的井，夏至那天，阳光会照到井底，而同时阳光在亚历山大对竹竿将有一个投影，由此我们可测出θ角，根据几何关系可知，∠AOS=θ，OS=0A为地球半径，则：

　　折算出的地球周长与当今的计算值相差仅几百公里。

　　2.阿基米德（公元前287-公元前212年）:

出生在古希腊的叙拉古。

　　1）铜镜烧船:

地中海，罗马要灭亡叙拉古。

阿基米德让妇女用铜镜组成一面聚光镜烧战船上的帆，浸了油的绳与桅杆和帆都烧起来了。

　　1747年，法国科学家布韦为了验证这一情况，用360面镜子，拼成一个大凹镜，烧灼了70米外的木堆。

　　2）杠杆定律:

“给我一个支点，我可以撬动地球”。

　　3）数学上，得出了球体、圆柱体体积和表面积的计算公式。

　　三、古印度、巴比仑和阿拉伯的贡献

　　古印度、巴比伦和阿拉伯在天文学、数学方面的贡献也很惊人。

据载，古印度发现了十进制记数法，经阿拉伯传到欧洲，逐步演变为当今的“阿拉伯记数”。

在祖冲之之后1000年，阿拉伯数学家求得圆周率π，准确到小数之后17位。

　　总之，在古代，我们的祖先创造了瑰丽的文明，许多物理现象和规律被发现和记载下来，成为今后物理学发展的基础。

　　第二节亚里士多德的物理学

　　一、古代物理学的特点

　　1.物理现象虽被发现和记录下来，但未形成系统的理论。

　　2.受神学的支配很强。

　　3.天才的臆测建立在笼统的直觉观察之中。

　　二、亚里士多德的物理学

　　1.亚里士多德（公元前384-公元前322）:

马其顿国王私人医生的儿子，18岁进入柏拉图学院，约在公元前342年，他成为亚力山大大帝的私人教师。

一生著作颇丰，在科学领域里起着奠基性的作用。

　　某些大科学家“比起亚里士多德不过是小学生。

”——达尔文

　　2.主要观点

　　提出物理学名称的第一人，强调科学分类

　　若物体不受力，运动即停止

　　物体越重，下落速度应该越大

　　地球是宇宙的中心，太阳、行星和月亮应该围绕它转

　　亚里士多德像托勒密地心说图

　　亚氏观点从归纳日常生活出发，加上哲学思辩，后来发展为经院哲学，成为自然科学的障碍。

　　﹡经院哲学:

科学的根本目的在于适应神学，人的知识不必来自实践，而是存在于教义之中。

　　3.被利用

　　亚氏的某些观点符合封建与宗教统治者的利益，统治集团将其抬到吓人的高度，企图让科学成为宗教和封建统治的装饰。

　　僧侣主义扼杀了亚里士多德学说中活的东西，而使僵死的东西永世长存。

　　——列宁

　　第二章经典物理力学的发展

　　第一节新芽破土

　　一、资本主义萌芽带来的契机（15世纪后半期开始）

　　1.社会物质条件

　　欧洲社会生产力迅速发展，农耕得到改进，风力水力得到普遍使用。

特别是我国的四大发明经蒙古，丝绸之路传入欧洲，更为其发展推波助澜。

　　哥伦布1492年发现美洲，麦哲伦1519年环游世界，这些都刺激了资产阶级对生产技术的兴趣，科学的发展有了社会物质条件。

　　2.社会文化思想方面:

出现了以文艺复兴和宗教改革为标志的思想解放运动。

但丁的神曲，米开朗基诺的雕塑，莎氏比亚的“罗米欧与朱丽叶”的出现，代表了人们要求思想自由，科学要求摆脱神学附庸地位，反对迷信和权威的心声。

　　3.代表人物及其观点

　　1）培根:

“证明前人说法的唯一方法，只有观察和实践。

”

　　2）达·芬奇（1452-1519）：

“实验在任何情况下都是我的老师。

”

　　有道是“山雨欲来风满楼”，一场科学革命的风暴已经不可避免了。

　　二、哥白尼与“天体运行论”

　　1.地心说与日心说的主要观点

　　地心说:

地球是绝对静止的，一切运动都是相对于地球而运动的。

地心说受到宗教的吹捧与肯定。

　　日心说:

　　如果是地心说，这样的观点来描述行星的运动时，行星有无法解释的忽快、忽慢、逆行及留的现象。

　　地动日心说可以对天体的运动给予完满的解释。

　　“天穹的周转是一种视运动，实际是地球运动的反映。

”

　　2.“天体运行论”于1543年写成，它被誉为自然科学的独立宣言。

　　三、第谷与开普勒

　　1.丹麦人第谷（1546-1601），经过20年的反复的天文观测，积累了大量准确的星体运动观测资料，被人誉为“星学之王”。

　　2.德国天文学家开普勒（1571-1630）是第谷的学生与助手，从第谷对火星的观测资料与他理论计算的8分之差入手，发表了开普勒三定律。

写出“宇宙和谐论”，使我们对天穹星空的认识，由杂乱到有序。

开普勒的一生，虽多病贫穷，但都未动摇他破解天体奥秘的决心，他把他的一生都贡献给了科学事业。

　　四、舍生取义的布鲁诺

　　布鲁诺（1548-1600）：

因宣扬日心说，1592年被捕。

1600年，面对宗教法庭的审判，他说：

“我希望你们到大庭广众中去把我点燃，这是我最大的快乐，因为我可以以自身燃起的大火，去照亮后人的道路。

”

　　布鲁诺英勇就义于罗马的鲜花广场。

　　总之，16世纪中期，日心说与地心说的血与火的斗争，是自然科学从宗教桎梏下解放的标志，教会的权威受到挑战，自然科学在批判经院哲学的斗争中开创着自己的道路。

　　第二节运动学的奠基人---伽利略

　　一、伽利略对落体问题的研究

　　对运动无知，也就对大自然无知。

——西方谚语

　　1.伽利略（1564-1642）

　　出生于意大利比萨。

奠定了经典力学中运动学的基础，改进了望远镜，使之能放大32倍。

代表作《两大世界体系的对话》。

1633年，69岁高龄时曾被罗马宗教裁判所判处终身监禁。

仍致力于科研，于1638年又写出了《关于两门新科学对话》一书。

　　直到1979年，300多年后，教会才宣布为伽利略平反。

　　《两大世界体系的对话》封面

　　伽利略的发现以及他所应用的科学推理方法是人类思想史上最伟大的成就之一，标志着物理学的开端。

——爱因斯坦

　　2.对亚里士多德的观点的怀疑:

　　怀疑:

如果轻物体m下降的速度比重物M慢，那么用一根绳子把m、M栓在一起又怎样?

　　“冲淡引力思想”——斜面理论：

为了研究落体的情况，伽利略设计了著名的斜面实验以“冲淡引力”，延长落地时间，便于观测。

　　3.斜面实验:

　　二、意义

　　1.实验方法与数学方法结合的成功

　　不是单纯做实验，而是从明确的物理思想出发，进行数学推证，选典型实验，最后得出结论。

　　2.观察——假设——逻辑推理——实验检验的成功之路

　　实验物理思维和数学演绎的巧妙结合。

3.落体运动也是一种匀加速运动

　　1586年，斯蒂文和德哥罗在一所二层楼做实验，两个不同重量的铁球同时落地。

　　4.伽利略的预见

　　“一门广博精深的科学已经启蒙，我在这方面的工作只是它的开始，那些比我更敏锐的人所用的方法和手段将会探索到各个遥远的角落。

”

　　第三节牛顿的伟大综合和理论飞跃

　　一、牛顿简介

　　1.牛顿1642年生于英国。

从小是一个苦命的孩子，还未出生，父亲逝世，两岁母亲改嫁，在舅舅和姥姥家长大。

　　2.1661年考入剑桥大学31学院。

由于学习勤奋，受到巴罗教授的赏识，1664年成为研究生。

　　3.1665年开始研究微分和积分及万有引力定律。

1665年伦敦大瘟疫，一个夏天病逝3万人。

牛顿回到家乡，留下了脍炙人口的“苹果落地”的故事。

（据说是法国作家伏尔泰从牛顿侄女那儿听来的。

）

　　4.1687年出版旷世之作“自然哲学的数学原理”。

由好朋友哈雷资助出版。

人们争相购阅。

　　5.1703年任英国皇家学会终身会长。

　　6.1705年被英国女王授予爵士称号。

　　7.1727年逝世，葬于威斯敏斯特教堂。

　　“伊萨克·牛顿爵士安葬在这里…，让我们欢呼曾经存在过这样一位伟大的人类之光。

”——碑文

　　二、牛顿取得成功的历史条件

　　1.生产力发展的需要

　　航海的发展，需要对天体的运行规律进行研究，对机械加工作物理原理的解释。

　　2.物理方面的进展

　　哥白尼的“日心说”，摧毁了附着在神学上的宇宙观，得到了几乎所有科学家的认同，教会的迫害反而使真理的声音广为传播。

　　伽利略奠定了在运动观上的正确理论，各种力正在被发现。

　　3.在英国，政局比较稳定，商业发展使新兴资产阶级从自身的角度，开始注重科学研究。

　　4.科学的国际研究联系加强。

英法成立了“皇家学会”和“皇家科学院”。

　　三、牛顿的《自然哲学数学原理》的意义（1687年发表）

　　序言:

“我把这部著作叫做自然哲学的数学原理，因为哲学的全部任务看来就在于从各种运动现象来研究各种自然之力，而后用这些力去论证其他现象……，我希望能用同样的推理方法，从力学中推导出自然界的其他现象。

”

　　1.它将个别特殊的情况抽象概括为普遍理论，是当时力学规律的伟大综合。

　　2.它成为当时科学上判断正误的准绳。

　　3.它向后来者提供了一种科学研究的方法。

　　4.它发挥了科学理论的预言作用，引导人们从已知的现象去预测未来。

　　1）哈雷彗星

　　1682年彗星出现时，有人说，它是人类的罪恶造成的，因此人们纷纷跪地祈祷，惊恐万分。

　　牛顿根据天文资料，应用万有引力定律，说明和计算了彗星的运动轨道。

牛顿的好朋友，英国天文学家哈雷（1656-1742），根据牛顿理论进一步计算了大量彗星的运动轨道，得出1531年、1607年、1682年出现的彗星轨道相同，因此应是同一彗星。

由此预言，1758年还将出现这一彗星。

　　1758年，这成了当时一件众人十分瞩目的大事。

彗星到期未出现，科学家着急得很。

1759年3月12日，这颗星出现了，迟到的原因，是因为它受木星和土星的吸引而姗姗来迟了，这正说明了万有引力定律的成功。

　　2）“笔尖下的行星”的发现

　　1781年，赫舍尔（1738-1822）发现天王星，踞太阳约28亿公里，绕一周要84年。

但根据牛顿理论，其运动有偏差，于是预言，还应该存在另一颗星。

　　列威尔（法）、亚当斯（英）根据牛顿的理论计算出了该星的轨道。

　　柏林天文家伽列于1846年9月23日，在列威尔推算处相距不到1°的地方发现了这颗星——海王星，大大拓宽了天文科学家的视野。

　　总之《自然哲学数学原理》第一次显示了科学理论所具有的知识飞跃和能动作用，它为后来的物理研究开拓了一条传统思路，奠定了经典力学的基础，促进了物理学向前发展。

　　四、牛顿的成功之路

　　1.站在巨人的肩上，勤奋学习，积累知识

　　数学---〉欧几里德——笛卡尔——莱布尼兹

　　力学---〉达.芬奇——伽里略——惠更斯

　　天文学---〉哥白尼——第谷——开普勒

　　引力思想---〉吉尔伯特——布里阿德——玻列利

　　2.讲求科学研究方法

　　1）分析综合法

　　牛顿在“光学”一书中曾说：

从结果到原因，从特殊原因到普遍原因，一直论证到最普遍的原因为止，这就是分析的方法;而综合的方法则假定原因已经找到，并已把他们立为原理，再用这些原理去解释由他们发生的现象。

　　2）归纳与演绎相结合

　　3）追求简单、明白的公理体系

　　牛顿根据月球受地球吸引的现象，归纳出一切天体相互吸引的关系，进而得出了引力定律，再演绎出宇宙万物间相互吸引的因果关系。

　　演示牛顿月亮

　　牛顿在原理中写道：

“自然界喜欢简单化，而不爱用什么多余的原因以夸耀自己。

”所以他努力寻找支配自然界的尽可能简单的原理，总结其规律。

　　4）数学物理方法:

原理是数学与物理的完美结晶

　　大自然追求的是一本用数学语言所写的巨著，他追求的是一个精确的，完完本本用数学表示的定律。

——牛顿

　　5）实验----抽象方法

　　万有引力定律既有观测实验的基础，同时也是科学抽象的产物。

　　3.热爱科学，追求真理

　　人们问:

“你是怎么发现万有引力的?

”

　　牛顿说:

“Bythinkingonitcontinually.”

　　牛顿终身没娶。

1727年，牛顿遗言:

“我不知道世人对我是怎样的看法，但是在我看来，我不过象一个在海边玩耍的孩子，为时而发现一块美丽的石子而高兴，但那浩瀚的真理的海洋，却还在我的面前未曾发现呢。

”

　　五、牛顿的局限

　　1）绝对时空观

　　牛顿说：

“绝对的数学的时间与外界无关地流逝着……。

”认为时间与空间无关，时空与运动无关，是绝对的物理量。

　　2）当一些问题牛顿解释不了时，它就只好用上帝的万能来解释，为此牛顿花费了后半生的心血，这正是牛顿的悲剧。

　　六、16世纪后，中国科技发展迟滞

　　西方：

恩格斯说:

“这是一次人类从来没有经历的最伟大的进步的变革，是一个需要巨人而且产生了巨人——的时代。

”

　　中国：

由于封建统治，闭关锁国，教育僵化，科技发展迟滞。

　　光绪时康有为的公车上书痛心疾首地指出：

“姚燮谓：

‘我之所为，彼皆知之，彼之所为，我独不闻，安得不为所制乎！

’学塾经费少于兵饷数十倍，士人能通古今达中外者，郡县乃或无人焉。

”也说明了这一问题。

　　第四节力学的逐步发展一、实验研究的开展

　　1.对万有引力常数的测定

　　英国的物理学家卡文迪许等测定了万有引力常数。

因他们在实验中采用了扭秤，全部仪器被放在用火漆密闭的密室中，因而被誉为“弦丝挂，火漆封”派。

　　2.地球运动的实验研究

　　二、独立应用学科的出现

　　1.流体力学的发展

　　由于牛顿等建立了微积分的方法，数学工具得到加强，使力学的研究领域加强了。

为了研究弹道和减少轮船的航行阻力，在伯努利、欧勒等人的努力下，流体力学得到了发展。

　　2.分析力学的发展

　　在牛顿以后，矢量力学发展起来，但生产中涌现出的多质点、多约束的复杂情况，使其遇到一定困难。

　　1747年，法国的莫培督发表了“最小作用量原理”。

1788年，拉格朗日进一步论证力学可以整个建立在最小作用量原理的基础上，分析力学与矢量力学平行发展起来，并成为推动理论物理和相对论发展的基本工具。

　　3.天体力学的进展

　　拉普拉斯发表了“天体力学”。

　　三、力学概念的争论与不断完善

　　牛顿定律出台以后，经典力学形成比较牢固的理论，经历过18世纪至19世纪的无数争论，这些争论又进一步促进了人们对力学理论的不断探索、修改，比如关于对牛顿绝对时空观的争论导致了相对论的出现。

力学理论从而得到进一步丰富和完善。

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